Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu tính chất của một số vật liệu tổ hợp nền hữu cơ pha trộn ống nanô các...

Tài liệu Nghiên cứu tính chất của một số vật liệu tổ hợp nền hữu cơ pha trộn ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng tản nhiệt trong lĩnh vực điện tử

.PDF
161
453
80

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU  BÙI HÙNG THẮNG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN HỮU CƠ PHA TRỘN ỐNG NANÔ CÁCBON VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG TẢN NHIỆT TRONG LĨNH VỰC ðIỆN TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU HÀ NỘI - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC LÂM KHOA VÀVIỆN CÔNGHÀN NGHỆ VIỆT NAM HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU VIỆN KHOA-------HỌC VẬT LIỆU  ðức Chính BÙIVũ HÙNG THẮNG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ VẬT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC LIỆU TỔLƯỢNG HỢP NỀN HỮU CƠ PHA TRỘN ỐNG CHẤM TỬ CdSe VỚI CẤU TRÚC LÕI/VỎ VÀ ðỊNH ỨNG DỤNGỨNG DỤNG NANÔ CÁCBON VÀHƯỚNG THỬ NGHIỆM TẢN NHIỆT TRONG LĨNH VỰC ðIỆN TỬ Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang ñiện tử và quang tử Mã số: 62 44 50 05 Chuyên ngành: Vật liệu ñiện tử Mã số: 62.44.01.23 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: NGƯỜI HƯỚNG HỌC: 1: TS. DẪN PhanKHOA Tiến Dũng 2: PGS.TS. Phạm Thu 1. PGS.TS. PhanNga Ngọc Minh 2. TS. Hoàng Anh Sơn Hà Nội- 2011 HÀ NỘI 2015 LỜI CẢM ƠN Lời ñầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới hai người thầy hướng dẫn là PGS. TS. Phan Ngọc Minh và TS. Hoàng Anh Sơn, những người thầy ñã ñịnh hướng cho tôi trong tư duy khoa học, tận tình chỉ bảo và tạo rất nhiều thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Phan Hồng Khôi, TS. Ngô Thị Thanh Tâm, KS. Lê ðình Quang, TS. Nguyễn Văn Chúc, TS. Phan Ngọc Hồng, TS. Nguyễn Tuấn Hồng, ThS. Phạm Văn Trình, ThS. Cao Thị Thanh, ThS. Nguyễn Văn Tú, NCS. Nguyễn Mạnh Hồng - những người ñã luôn giúp ñỡ, khích lệ, ñộng viên tôi trong suốt thời gian làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ Phòng Thí nghiệm Trọng ñiểm Quốc gia về vật liệu và linh kiện ñiện tử, Viện Khoa học vật liệu ñã giúp tôi thực hiện phép ño phân tích trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ Giáo dục và ðào tạo, Lãnh ñạo Viện Khoa học vật liệu, Bộ phận ðào tạo sau ñại học ñã tạo ñiều kiện thuận lợi cho tôi làm luận án nghiên cứu sinh. Nhân dịp này tôi xin dành những tình cảm sâu sắc nhất tới những người thân trong gia ñình: Cha, mẹ, anh, chị, em ñã chia sẻ những khó khăn, thông cảm và ñộng viên, hỗ trợ tôi. Cuối cùng tôi xin dành những tình cảm ñặc biệt và biết ơn của mình tới vợ và con, bằng tình yêu, sự cảm thông, quan tâm và chia sẻ, ñã cho tôi nghị lực, tạo ñộng lực cho tôi thực hiện thành công luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Nghiên cứu sinh Bùi Hùng Thắng LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Phan Ngọc Minh và TS. Hoàng Anh Sơn. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa ñược ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Nghiên cứu sinh Bùi Hùng Thắng NỘI DUNG Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu Danh mục các bảng Danh mục các hình MỞ ðẦU..................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CNTs VÀ CÁC ỨNG DỤNG .................................. 5 1.1 Tổng quan về vật liệu ống nanô cácbon .............................................................. 5 1.1.1 Vật liệu cácbon và các dạng thù hình ........................................................... 5 1.1.2 Vật liệu cácbon cấu trúc nanô ...................................................................... 7 1.1.3 Cấu trúc của ống nanô cácbon...................................................................... 9 1.1.4 Tính chất của ống nanô cácbon .................................................................. 13 1.1.5 Các phương pháp tổng hợp ống nanô cácbon ............................................. 20 1.2 Vật liệu tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon ........................................ 25 1.2.1 Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon ............................... 25 1.2.2 Kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon ....................................... 34 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................... 38 2.1. Phương pháp tính toán lý thuyết và mô phỏng ................................................. 38 2.1.1. Phương pháp tính toán lý thuyết................................................................ 38 2.1.2. Phương pháp mô phỏng ............................................................................ 38 2.2. Phương pháp thực nghiệm chế tạo vật liệu ...................................................... 39 2.2.1. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị chế tạo ................................................... 39 2.2.2. Biến tính vật liệu ống nanô cácbon ........................................................... 40 2.2.3. Chế tạo chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon................................. 41 2.2.4. Chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon .......................... 43 2.3. Các phương pháp phân tích ño ñạc vật liệu...................................................... 44 2.3.1. Hiển vi ñiện tử quét .................................................................................. 44 2.3.2. Phổ tán xạ Raman ..................................................................................... 45 2.3.3. Phổ hấp thụ hồng ngoại............................................................................. 45 2.3.4. Phổ huỳnh quang tia X .............................................................................. 46 2.3.5. Phổ phân tán Zeta-Sizer ............................................................................ 47 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG ................ 48 1 3.1. Mô hình tính toán ñộ dẫn nhiệt chất lỏng chứa CNTs ...................................... 48 3.1.1. ðánh giá một số mô hình tính toán ñộ dẫn nhiệt chất lỏng chứa CNTs...... 48 3.1.2. ðề xuất mô hình tính toán cải tiến............................................................. 54 3.1.3. ðánh giá ñộ chính xác của mô hình với thực nghiệm ................................ 60 3.2. Kết quả nghiên cứu mô phỏng các hệ thống tản nhiệt ...................................... 63 3.2.1. Mô phỏng hệ thống tản nhiệt tuần hoàn dùng bơm .................................... 63 3.2.2. Mô phỏng hệ thống tản nhiệt tuần hoàn tự ñối lưu .................................... 69 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ...................................... 79 4.1. Kết quả biến tính ống nanô cácbon .................................................................. 79 4.1.1. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại truyền qua............................................ 79 4.1.2. Kết quả phân tích phổ tán xạ Raman ......................................................... 80 4.2. Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs ...................................................... 81 4.2.1. Kết quả chế tạo chất lỏng chứa thành phần CNTs ..................................... 81 4.2.2. Thử nghiệm chất lỏng chứa CNTs trong tản nhiệt cho CPU ...................... 87 4.2.3. Thử nghiệm chất lỏng CNTs trong tản nhiệt cho ñèn LED ........................ 97 4.2.4. Giải thích về cơ chế tản nhiệt sử dụng chất lỏng CNTs ........................... 110 4.3. Kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs ........................................................... 113 4.3.1. Kết quả chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs ............................ 113 4.3.2. Thử nghiệm kem tản nhiệt CNTs cho vi xử lý......................................... 117 4.3.3. Tính toán mô phỏng ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt CNTs ..................... 121 KẾT LUẬN CHUNG .............................................................................................. 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 132 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA NGHIÊN CỨU SINH ............................. 144 1. Các bài báo và báo cáo liên quan ñến luận án ................................................... 144 1.1. Bài báo quốc tế thuộc danh mục ISI ........................................................... 144 1.2. Bài báo quốc tế khác .................................................................................. 144 1.3. Bài báo ñăng trên tạp chí quốc gia ............................................................. 145 1.4. Báo cáo ñăng trên kỷ yếu hội nghị khoa học .............................................. 145 2. Sáng chế và giải thưởng liên quan ñến luận án ................................................. 145 2.1. Sáng chế ñược chấp nhận ñơn .................................................................... 145 2.2. Giải thưởng khoa học................................................................................. 146 2 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Viết tắt Tên ñầy ñủ CNTs Ống nanô cácbon SWCNTs Ống nanô cácbon ñơn tường MWCNTs Ống nanô cácbon ña tường CVD Lắng ñọng hóa học từ pha hơi EDX Phổ tán sắc năng lượng FTIR Phổ hồng ngoại biến ñổi Fourier SEM Kính hiển vi ñiện tử quét TEM Kính hiển vi ñiện tử truyền qua AFM Kính hiển vi lực nguyên tử LED ðiốt phát quang CPU Vi xử lý máy tính EG Ethylene Glycol DEG Diethylene Glycol DW Nước cất EG/DW Hỗn hợp ethylene glycol với nước cất STARS Kem tản nhiệt thương mại Stars AS5 Kem tản nhiệt thương mại AS5 STARS/CNTs Kem tản nhiệt Stars chứa thành phần CNTs AS5/CNTs Kem tản nhiệt AS5 chứa thành phần CNTs DANH MỤC CÁC BẢNG STT Trang 1 Bảng 1.1 So sánh cơ tính của vật liệu CNTs với một số vật liệu khác 14 2 Bảng 1.2 Phân loại ñặc trưng dẫn của một số loại CNTs 17 3 Bảng 1.3 Tính chất của các oxit và chất lỏng nanô của chúng 29 4 Bảng 4.1 Bảng so sánh kết quả tản nhiệt cho CPU bằng chất lỏng 94 5 Bảng 4.2 Kết quả phân tích EDX trên mẫu kem STARS và STARS/2%CNTs 116 6 Bảng 4.3 Kết quả phân tích EDX trên mẫu kem AS5 và AS5/2%CNTs 117 7 Bảng 4.4 Tổng kết kết quả ño ñạc và tính toán với các loại kem tản nhiệt 128 DANH MỤC CÁC HÌNH STT Trang 1 Hình 1.1 Các trạng thái lai hoá sp1, sp2 và sp3 và ñịnh hướng trong không gian và sự tồn tại của chúng trong các liên kết trong phân tử C2H2, C2H4 và C2H6 5 2 Hình 1.2 Cấu trúc ô cơ sở của graphit (xếp lớp ABA) 6 3 Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể của kim cương dạng lập phương (a) và dạng lục giác (b) 7 4 Hình 1.4 “Gia ñình” vật liệu Cácbon với hình thù và cấu trúc khác nhau 9 5 Hình 1.5 Minh họa ñơn giản cấu tạo của ống nanô cácbon 10 6 Hình 1.6 Cấu trúc của SWCNTs và MWCNTs 10 7 Hình 1.7 (a) Biểu diễn véctơ chiral, (b) CNTs loại amchair (5, 5), zigzag (9, 0) và chiral (10, 5) 11 8 Hình 1.8 Các sai hỏng trên bề mặt CNTs với các vòng cácbon 5 cạnh và 7 cạnh 12 9 Hình 1.9 (a) ðộ dẫn nhiệt của CNTs có véc tơ Chiral (10, 10) và (b) So 15 sánh ñộ dẫn nhiệt của CNTs so với graphit khối và ñơn lớp graphit (graphene) 10 Hình 1.10 (a) Cấu trúc vùng năng lượng và (b) Vùng Brillouin của mạng graphit 16 11 Hình 1.11 Cấu trúc vùng năng lượng của SWCNTs với các véc tơ chiral khác nhau 17 12 Hình 1.12 Giản ñồ năng lượng và thế năng của ñiện tử tại bề mặt vật liệu 19 13 Hình 1.13 (a) Sơ ñồ nguyên lý phương pháp nghiền bi ñể tổng hợp CNTs, (b) Ảnh SEM của CNTs tổng hợp theo phương pháp nghiền bi 20 14 Hình 1.14 Tổng hợp ống nanô cácbon bằng phương pháp hồ quang 21 15 Hình 1.15 Tổng hợp ống nanô cácbon bằng phương pháp hồ quang 23 16 Hình 1.16 Sơ ñồ khối hệ CVD nhiệt 24 17 Hình 1.17 ðồ thị phụ thuộc của ñộ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và 28 Ethylen Glycol (EG) vào nồng ñộ % thể tích của CNTs trong chất lỏng 18 Hình 1.18 Cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho lớp tiếp giáp bằng cách sử dụng kem tản nhiệt 35 19 Hình 1.19 Kết quả ño ñộ dẫn nhiệt của vật liệu tản nhiệt lớp tiếp giáp 35 của linh kiện ñiện tử nền PEG chứa thành phần CNTs 20 Hình 1.20 Kết quả tính toán lý thuyết của nhóm nghiên cứu Indra Vir Singh cho ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs 36 21 Hình 1.21 Kết quả tính toán lý thuyết của nhóm nghiên cứu M. B. Bryning cho ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs 36 22 Hình 2.1 Quy trình biến tính gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề mặt CNTs 40 23 Hình 2.2 Quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng 42 24 Hình 3.1 So sánh kết quả tính toán lý thuyết của nhóm H E Patel với kết 52 quả thực nghiệm của nhóm Hwang trong trường hợp phân tán CNTs vào nước cất 25 Hình 3.2 Cấu trúc hình ống của CNTs 53 26 Hình 3.3 Mô hình tính ñộ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs 58 27 Hình 3.4 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang với trường hợp phân tán MWCNTs vào nước cất 60 28 Hình 3.5 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án với kết quả thực nghiệm của nhóm Lifei Chen với trường hợp phân tán MWCNTs vào nước cất 61 29 Hình 3.6 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án 61 với kết quả thực nghiệm của nhóm Gensheng Wu với trường hợp phân tán SWCNTs vào nước cất 30 Hình 3.7 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang với trường hợp phân 62 tán MWCNTs vào EG 31 Hình 3.8 Mô hình cấu trúc hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành 64 phần CNTs cho linh kiện ñiện tử công suất 32 Hình 3.9 Kết quả mô phỏng nhiệt ñộ của linh kiện ñiện tử theo thời gian với các nồng ñộ khác nhau về thể tích của CNTs trong chất 69 lỏng 33 Hình 3.10 Cấu trúc hệ thống tản nhiệt tự ñối lưu sử dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho linh kiện ñiện tử công suất 70 34 Hình 3.11 Mô hình gần ñúng của hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng tự ñối 71 lưu dùng trong mô phỏng 35 Hình 3.12 Kết quả mô phỏng tốc ñộ tự ñối lưu của dòng chất lỏng trong hệ thống tản nhiệt theo thời gian hoạt ñộng của linh kiện ñiện 77 tử ở các công suất nhiệt khác nhau 36 Hình 3.13 Kết quả mô phỏng nhiệt ñộ của linh kiện ñiện tử công suất 50 W trong hệ thống tản nhiệt tự bằng chất lỏng ñối lưu theo thời gian và nồng ñộ CNTs 78 37 Hình 4.1 Phổ FTIR truyền qua của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs biến tính gắn nhóm chức -COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức –OH 79 38 Hình 4.2 Phổ tán xạ Raman của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs biến tính gắn nhóm chức -COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức –OH 80 39 Hình 4.3 Phổ phân tán theo kích thước của CNTs phân tán trong nước 82 cất với thời gian rung siêu âm: 20 phút (a), 30 phút (b) và 40 phút (c) 40 Hình 4.4 Ảnh chụp CNTs-COOH phân tán tốt trong nước cất so sánh với CNTs không biến tính 83 41 Hình 4.5 Ảnh SEM hình thái học bề mặt của (a) vật liệu CNTs trước khi biến tính và phân tán vào nước cất; (b) vật liệu CNTs sau khi biến tính và phân tán vào nước cất 83 42 Hình 4.6 Phổ phân bố kích thước của CNTs-OH phân tán trong EG/DW với thời gian rung siêu âm là 10 phút: ño ngay sau khi phân 84 tán (a) và ño sau 72 h lắng ñọng kể từ lúc phân tán CNTs-OH vào EG/DW (b) 43 Hình 4.7 Phổ phân bố kích thước của CNTs-OH phân tán trong EG/DW với thời gian rung siêu âm: 20 phút (a), 30 phút (b) và 40 phút (c) 85 44 Hình 4.8 Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho vi xử lí máy tính Intel Pentium IV 88 45 Hình 4.9 Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho vi xử lí máy tính Intel Pentium IV 89 46 Hình 4.10 Giao diện phần mềm Speedfan 90 47 Hình 4.11 Giao diện phần mềm StressPrime 2004 ORTHOS 90 48 Hình 4.12 Lắp hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs 91 cho vi xử lí máy tính Intel Pentium IV 49 Hình 4.13 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt tự nhiên 92 50 Hình 4.14 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt 92 bằng quạt 51 Hình 4.15 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs 93 52 Hình 4.16 Sơ ñồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho vi xử lý máy tính Intel Core-i5 95 53 Hình 4.17 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU theo thời gian khi sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng quạt 95 54 Hình 4.18 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU theo thời gian khi sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs 96 55 Hình 4.19 Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho chip LED 50 W 98 56 Hình 4.20 Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho chip LED 50 W chế tạo ñược 99 57 Hình 4.21 ðèn pha LED 50 W trên thị trường dùng ñể so sánh hiệu quả 99 tản nhiệt 58 Hình 4.22 ðồ thị nhiệt ñộ của LED 50W theo thời gian trong 3 trường 100 hợp: sử dụng phương pháp tản nhiệt thông thường, sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng nước cất và nước cất chứa thành phần CNTs (1,0 g/lit) 59 Hình 4.23 ðồ thị nhiệt ñộ của chíp LED 50W theo thời gian hoạt ñộng với các nồng ñộ khác nhau của CNTs trong nước cất 100 60 Hình 4.24 Sơ ñồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho ñèn pha LED công suất 450W 101 61 Hình 4.25 Sơ ñồ (a) và ảnh thực (b) ñế tản nhiệt của ñèn pha LED công suất 450W 102 62 Hình 4.26 ðèn pha LED công suất 450W sử dụng chất lỏng tản nhiệt 102 chứa CNTs 63 Hình 4.27 ðồ thị nhiệt ñộ của ñèn pha LED 450W theo thời gian khi sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng với các nồng ñộ khác nhau của CNTs 103 64 Hình 4.28 Kết quả tính toán sự phụ thuộc của tuổi thọ ñèn LED 450W vào hàm lượng CNTs trong chất lỏng tản nhiệt 104 65 Hình 4.29 Sơ ñồ môñun ñèn LED tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành 107 phần CNTs ñược lắp vào hộp ñèn chiếu sáng công cộng 66 Hình 4.30 Ảnh chụp giàn tỏa nhiệt của moñun ñèn LED 108 67 Hình 4.31 Ảnh chụp sản phẩm moñun ñèn LED công suất 100 W tản nhiệt bằng chất lỏng CNTs ñược lắp vào vỏ ñèn ñường chiếu sáng 108 công cộng 68 Hình 4.32 Ảnh chụp sản phẩm moñun ñèn LED công suất 100 W tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs khi hoạt ñộng 109 69 Hình 4.33 ðồ thị nhiệt ñộ của chip LED và nhiệt ñộ của chất lỏng CNTs 110 trong giàn tỏa nhiệt theo thời gian khi ñèn LED hoạt ñộng 70 Hình 4.34 Sơ ñồ mô tả cơ chế nâng cao hiệu quả truyền nhiệt từ ñế tản nhiệt vào chất lỏng khi sử dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs 111 71 Hình 4.35 Sơ ñồ mô tả cơ chế nâng cao hiệu quả truyền nhiệt từ chất lỏng ra giàn tỏa nhiệt khi sử dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs 112 72 Hình 4.36 Ảnh SEM kem tản nhiệt Stars (a) và kem tản nhiệt AS5 (b) 113 73 Hình 4.37 Ảnh SEM kem Stars/ 2% CNTs 114 74 Hình 4.38 Ảnh SEM kem AS 5/ 2% CNTs 114 75 Hình 4.39 Phổ Raman kem Stars và kem Stars / 2% CNTs 115 76 Hình 4.10 Kết quả phân tích EDX của kem Stars / 2% CNTs 116 77 Hình 4.41 Kết quả phân tích EDX của kem AS5 / 2% CNTs 117 78 Hình 4.42 Hệ thí nghiệm khảo sát nhiệt ñộ CPU khi sử dụng kem tản 118 nhiệt chứa thành phần CNTs 79 Hình 4.43 Các thao tác ñưa kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs lên CPU 119 80 Hình 4.44 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS / CNTs với nồng ñộ của CNTs từ 0% wt. ñến 7% wt. 120 81 Hình 4.45 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5 / CNTs với nồng ñộ của CNTs từ 0% wt. ñến 7% wt. 120 82 Hình 4.46 Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý máy tính 122 83 Hình 4.47 Sơ ñồ mạch hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý 122 84 Hình 4.48 Sơ ñồ mạch hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý ñơn giản 122 hóa 85 Hình 4.49 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi không sử dụng kem tản nhiệt 124 86 Hình 4.50 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng 125 kem tản nhiệt STARS 87 Hình 4.51 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs 126 88 Hình 4.52 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng 127 kem tản nhiệt AS5 89 Hình 4.53 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs 128 90 Hình 4.54 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU trong quá trình giảm nhiệt ñộ khi sử dụng kem tản nhiệt STARS 129 MỞ ðẦU Vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) ñã ñược giới khoa học-công nghệ quan tâm ñặc biệt kể từ khi phát hiện vào năm 1991. Sau hơn 20 năm nghiên cứu phát triển, ñến nay một số loại sản phẩm công nghệ cao ứng dụng vật liệu CNTs ñã ra ñời với nhiều tính năng vượt trội. Vật liệu ống nanô cácbon có rất nhiều tính chất ñộc ñáo, dễ chế tạo nên có tiềm năng ứng dụng rất phong phú. Lý do chính ñể loại vật liệu này trở thành trung tâm chú ý là chúng có nhiều tính chất cơ học, vật lý, hoá học ñặc biệt và nhiều tiềm năng ứng dụng mang tính ñột phá. Vật liệu ống nanô cácbon có khả năng dẫn nhiệt rất tốt dọc theo trục của ống, ñộ dẫn nhiệt của CNTs biến ñổi trong khoảng từ 1800 ñến 6000 W/mK. Ngoài khả năng dẫn nhiệt tốt, CNTs còn có tính chất bền vững ở nhiệt ñộ rất cao trong chân không và trong các môi trường khí trơ (lên ñến 2800oC). CNTs cũng ñược biết là vật liệu dẫn ñiện linh hoạt với ñộ dẫn ñiện phụ thuộc mạnh vào cấu trúc. ðộ dẫn của CNTs có thể là bán dẫn hay kim loại tùy thuộc vào cặp chỉ số Chiral (n,m). Với nhiều tính chất ưu việt, vật liệu CNTs khi ñược ñưa vào các nền vật liệu khác sẽ giúp tăng cường các tính chất cơ nhiệt ñiện của vật liệu ñó. Chẳng hạn với việc gia cường một lượng nhỏ ống nanô cácbon, tính chất cơ học, ñộ cứng, ñộ chống mài mòn, ñộ chịu hoá của các loại vật liệu nền như thép, cao su, polymer, v.v... ñược tăng cường mạnh mẽ. Với tính chất dẫn ñiện tốt, tính dẫn nhiệt cao và diện tích bề mặt lớn, vật liệu ống nanô cácbon có khả năng ứng dụng trong việc chế tạo tụ ñiện có ñiện dung cực lớn, chế tạo ñiện cực tích trữ Hydro cho pin nhiên liệu, chế tạo vật liệu tản nhiệt cho các linh kiện ñiện tử công suất. Với tính chất phát xạ ñiện tử mạnh ở ñiện thế thấp, kích thước bé, vật liệu ống nanô cácbon ñã và ñang ñược nghiên cứu ñể chế tạo màn hình phẳng cao cấp, công suất tiêu thụ thấp, chế tạo các nguồn phát xạ ñiện tử kích thước bé với phân bố năng lượng ñiện tử hẹp. Ngoài ra vật liệu nanô cácbon cũng là ñối tượng quan trọng cho các nghiên cứu về ñiện tử nanô, các linh kiện cảm biến, v.v... Từ những tính chất lý thú và tiềm năng ứng dụng lớn của CNTs, luận án hướng tới việc nghiên cứu ứng dụng tính chất nhiệt của CNTs ñể nâng cao hệ số dẫn nhiệt cho một số loại vật liệu nền hữu cơ ở dạng lỏng (ethylen glycol / nước cất) và dạng kem (STARS, AS5). Vật liệu nền hữu cơ dạng lỏng và dạng kem chứa thành phần CNTs với ñộ dẫn nhiệt tốt sẽ ñược thử nghiệm ứng dụng trong một số linh kiện ñiện tử công suất lớn như vi xử lý máy tính (CPU), ñiốt phát quang (LED), v.v… nhằm nâng cao hiệu quả tản nhiệt, công suất làm việc và kéo dài tuổi thọ cho linh kiện. 1 Từ những lý do trên, tập thể thầy hướng dẫn và nghiên cứu sinh ñã lựa chọn thực hiện luận án: “Nghiên cứu tính chất của một số vật liệu tổ hợp nền hữu cơ pha trộn ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng tản nhiệt trong lĩnh vực ñiện tử”. Mục ñích luận án Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tính chất của một số vật liệu tổ hợp nền hữu cơ chứa thành phần ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho linh kiện ñiện tử công suất lớn. Nhằm ñạt ñược mục ñích trên, một số nội dung nghiên cứu cụ thể sau ñây ñã ñược triển khai thực hiện: – Nghiên cứu mô hình cải tiến tính toán lý thuyết ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon. – Nghiên cứu mô phỏng một số hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon cho linh kiện ñiện tử công suất. – Nghiên cứu biến tính vật liệu ống nanô cácbon với nhóm chức -COOH và -OH. – Nghiên cứu chế tạo chất lỏng tản nhiệt nền ethylene glycol/nước cất chứa thành phần ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho linh kiện ñiện tử công suất lớn (CPU và LED). – Nghiên cứu chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tính. – Kết hợp phương pháp mô phỏng với kết quả thực nghiệm ñể xác ñịnh ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs. ðối tượng nghiên cứu Chất lỏng nền hữu cơ ethylen glycol / nước cất chứa thành phần CNTs, kem tản nhiệt Stars và kem tản nhiệt AS5 chứa thành phần CNTs. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết kết hợp với phương pháp mô phỏng và thực nghiệm, trong ñó: - Phương pháp tính toán lý thuyết dựa trên việc phát triển một số mô hình tính toán lý thuyết ñã có trên thế giới ñể xây dựng mô hình cải tiến tính toán ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt CNTs với ñộ chính xác cao hơn khi so sánh với thực nghiệm. - Phương pháp mô phỏng ñược sử dụng nhằm dự ñoán hiệu quả và tìm hiểu cơ chế tản nhiệt của vật liệu chứa thành phần CNTs trong các hệ thống tản nhiệt cho linh kiện ñiện tử công suất lớn. Phương pháp mô phỏng ñược thực hiện thông qua việc chia hệ thống tản nhiệt cho linh kiện thành nhiều phần nhỏ và chia thời gian làm nhiều phần ñủ ngắn, sau ñó tiến hành thiết lập các phương trình ñộng lực học, truyền nhiệt và trao ñổi nhiệt dựa trên ngôn ngữ Visual Basic hoặc C ñể thu ñược kết quả mô phỏng. 2 - Phương pháp thực nghiệm bao gồm phương pháp ñể biến tính CNTs với các nhóm chức –COOH và –OH, chế tạo chất lỏng nền ethylene glycol/nước cất chứa thành phần ống nanô cácbon, chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng các vật liệu chế tạo ñược trong tản nhiệt cho linh kiện ñiện tử công suất (CPU và ñèn LED). Bố cục và nội dung của luận án Luận án bao gồm 146 trang với 7 bảng, 90 hình vẽ và ñồ thị. Ngoài phần Mở ñầu trình bày ý nghĩa và lý do lựa chọn vấn ñề nghiên cứu và Kết luận về những kết quả ñã ñạt ñược cũng như một số vấn ñề có thể nghiên cứu tiếp tục, luận án ñược cấu trúc trong 4 Chương: Chương 1 trình bày trình bày tổng quan về vật liệu CNTs, chất lỏng tản nhiệt và kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs. Phần tổng quan về vật liệu CNTs trình bày về cấu trúc và một số tính chất của vật liệu CNTs, các phương pháp tổng hợp vật liệu CNTs. Phần tổng quan về vật liệu tản nhiệt trình bày về chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon và kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon. Chương 2 trình bày các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án, bao gồm phương pháp tính toán lý thuyết, phương pháp mô phỏng, thực nghiệm chế tạo và thử nghiệm ứng dụng. Chương 2 cũng trình bày về các phương pháp nghiên cứu phân tích ño ñạc sử dụng trong luận án, bao gồm: phép phân tích kính hiển vi ñiện tử, phổ tán xạ Raman, phổ hấp thụ hồng ngoại, phổ huỳnh quang tia X, máy ño phổ phân tán Zeta-Sizer. Chương 3 trình bày kết quả nghiên cứu về mô hình cải tiến tính toán lý thuyết ñộ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon. Chương 3 cũng trình bày kết quả mô phỏng cho hệ thống tản nhiệt tuần hoàn dùng bơm và hệ thống tản nhiệt tuần hoàn tự ñối lưu sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs cho linh kiện ñiện tử công suất. Chương 4 trình bày các kết quả biến tính vật liệu CNTs với các nhóm chức –OH và –COOH, kết quả chế tạo chất lỏng tản nhiệt (nền glycol/nước cất) và kem tản nhiệt (nền Stars và AS5) chứa thành phần CNTs. Chương 4 cũng trình bày kết quả thử nghiệm chất lỏng và kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs chế tạo ñược trong tản nhiệt cho linh kiện ñiện tử công suất lớn (CPU và ñèn LED). Ở cuối luận án, danh sách những công trình ñã công bố liên quan và danh mục các tài liệu tham khảo ñã ñược liệt kê. Luận án ñược thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 3 Những ñóng góp mới của luận án Luận án ñã xây dựng thành công mô hình cải tiến tính toán hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng có chứa thành phần vật liệu CNTs, mô hình tính toán cho kết quả phù hợp với kết quả thực nghiệm ñã công bố trên các tạp chí quốc tế. Luận án ñã chế tạo thành công chất lỏng tản nhiệt, kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs và thử nghiệm thành công trong tản nhiệt cho một số linh kiện ñiện tử công suất (CPU và ñèn LED). 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CNTs VÀ CÁC ỨNG DỤNG 1.1 Tổng quan về vật liệu ống nanô cácbon 1.1.1 Vật liệu cácbon và các dạng thù hình Nguyên tố cácbon ñứng ở vị trí thứ 6, thuộc chu kỳ thứ 2 và nhóm 4B trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Cấu tạo của nguyên tử cácbon C12 (dạng ñồng vị phổ biến nhất của nguyên tố cácbon) gồm có 6 proton, 6 nơtron và 6 ñiện tử, nguyên tử lượng của cácbon là 12. Cấu hình ñiện tử của cácbon là 1s22s22p2. Cácbon liên kết hóa học với các nguyên tử xung quanh bằng kiểu liên kết cộng hóa trị. Theo lý thuyết lai hóa, nguyên tử cácbon ñóng góp các electron dùng chung từ ba trạng thái lai hoá sp1, sp2 và sp3. [1] Hình 1.1 biểu diễn trạng thái lai hóa và ñịnh hướng không gian tương ứng của chúng. Lai hóa sp1 là sự tổ hợp 1 obitan s với 1 obitan p tạo thành 2 obitan lai hóa sp ñồng nhất, hướng về hai phía của một ñường thẳng. Lai hóa sp2 là sự tổ hợp 1 obitan s với 2 obitan p của một nguyên tử tham gia liên kết tạo thành 3 obitan lai hóa sp2 ñồng nhất, hướng về 3 ñỉnh của tam giác ñều. Lai hóa sp3 là sự tổ hợp 1 obitan s với 3 obitan p tạo thành 4 obitan lai hóa sp3 ñồng nhất hướng về 4 ñỉnh của hình tứ diện ñều. Cácbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3 tồn tại trong các dạng vật chất khác nhau của cácbon. [1] 120o 180o sp1 Phân tử C2H2 sp2 Phân tử C2H4 109,5o sp3 Phân tử C2H6 Hình 1.1 Các trạng thái lai hoá sp1, sp2 và sp3 và ñịnh hướng trong không gian và sự tồn tại của chúng trong các liên kết trong phân tử C2H2, C2H4 và C2H6 [1] 5
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan